Ralf Scholdei
Dr. sc. hum.
Über die absolute Quantifizierung des regionalen cerebralen Blutvolumens und des
regionalen cerebralen Blutflusses mit Hilfe der dynamischen suszeptibilitätsgewichteten
Magnetresonanztomographie
Geboren am 30.10.1966 in Flensburg
Reifeprüfung am 29.6.1986
Studiengang der Fachrichtung Diplom Physik vom WS 1986 bis SS 1994
Vordiplom am 14.10.1988 an der Universität Ulm
Diplom am 28.4.1994 an der Ruprecht-Karls Universität Heidelberg
Promotionsfach: Radiologie
Doktorvater: Prof. Dr. W. Schlegel
Die Messung der regionalen cerebralen Hämodynamik ist eine etablierte Methode in der
Diagnostik von Gehirnerkrankungen. Neben den nuklearmedizinischen Verfahren (z.B. PET und
SPECT) gestattet die dynamische suszeptibilitätsgewichtete (DSC) MRT die Analyse der
kapillaren Perfusion des Gehirngewebes. Die DSC MRT beruht auf der Detektion eines Signal-
einbruchs auf sequentiell aufgenommenen MR-Bildern der gleichen Schicht. Der
Signaleinbruch ist Folge einer Bolusinjektion eines paramagnetischen KM, welches bei seiner
Passage durch das Gefäßbett eine lokale Störung des Magnetfeldes induziert. Aus ihm läßt sich
mit Hilfe der Indikatorverdünnungstheorie das regionale cerebrale Blutvolumen (rCBV) und der
regionale cerebrale Blutfluß (rCBF) als Parameter der cerebralen Hämodynamik berechnen.
In der DSC MRT finden unterschiedliche MR-Sequenzen Anwendung, die sich in der
Bildfrequenz und der Signalstabilität bzw. im Rauschen unterscheiden. Bildfrequenz und
Signalstabilität beeinflussen jedoch die Genauigkeit der zu berechnenden hämodynamischen
Größen. Insbesondere die Bestimmung des rCBF kann durch Rauschen unmöglich werden.
Daher wurde zunächst das Signalverhalten von verschiedenen DSC MRT-Sequenzen analysiert.
Eine Gradientenecho-Sequenz mit Kleinwinkelanregung (SDFLASH), die die simultane
Akquisition von zwei Schichten gestattet, wurde mit Hilfe eines Wasserphantoms hinsichtlich
des Rauschens untersucht. Die Pixelsignale zeigten in beiden Schichten unabhängig vom Detek-
tionszeitpunkt im homogenen Teil des Wasserphantoms eine mittlere Schwankung von ca. 3 %
bezogen auf den Signalmittelwert. Bei diesen Signalschwankungen können mit DSC MRT-
Messungen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Signalreduktionen einzelner
Hirngewebe festgestellt werden, da die gesamte mittlere Signalreduktion lediglich 20-30 %
beträgt. Die Mittelung der Signale von mehr als 6×103 Pixeln einer Region reduzierte das
Rauschen auf etwa 0,5 %, was für die verläßliche Bestimmung des rCBV und für die
Unterscheidung von Geweben eine suffiziente Reduktion darstellt. Zwei Echoplanare Bild
gebungs- (EPI) Sequenzen, die Free Induction Decay (FID) EPI und die Spin Echo (SE) EPI-
Sequenz, wurden anhand der maximalen Signalreduktion miteinander verglichen, um ihre
Empfindlichkeit auf das applizierte KM zu untersuchen. Hierzu wurden die Signale in drei
Geweben: graue, weiße Hirnsubstanz (GHS, WHS) und in Gliomen ausgewertet. Obwohl die
FID EPI-Sequenz eine ausgeprägte permanente Signalreduktion nach der ersten Passage des KM
zeigte (10-20 %), eignete sie sich aufgrund der bis zu einem Faktor 4,5 größeren Sensitivität auf
Suszeptibilitätsunterschiede besser für die Berechnung von hämodynamischen Parametern als
die SE EPI-Sequenz. Zudem wurde der Signaleinbruch in Abhängigkeit von drei
unterschiedlichen KM-Dosierungen analysiert. Unabhängig von der Sequenz zeigte sich, daß die
geringste KM-Dosierung von 0,1 mmol/(kg Körpergewicht) zur Induktion des maximalen
Signaleinbruchs ausreicht. Eine Erhöhung der KM-Dosis erwies sich durch verstärkte
Überlagerungen von Rezirkulationseffekten des KM sogar als nachteilig.
Die DSC MRT ermöglicht die simultane Bestimmung der arteriellen Inputfunktion (AIF) des
KM, was eine notwendige Voraussetzung für die absolute Quantifizierung des rCBV (in
ml/100 g Gewebe) und rCBF (in ml/100 g/min) ist. Es wurden daher die simultan bestimmte
AIF aus den hirnversorgenden Arterien (Arteria carotis interna, ACI) und aus intracerebralen
Gefäßen am Beispiel der Arteria cerebri media (ACM) miteinander verglichen, um zu klären ob
eine AIF-Bestimmung auch aus intracerebralen Gefäßen möglich ist. Dabei zeigte sich die
Bestimmung der AIF aus der ACI als vorteilhaft, da sie eine um 10 % größere statistische
Sicherheit aufwies und die AIF aus der ACM systematisch verbreitert detektiert wurde, was die
rCBF Berechnung erschwerte oder teilweise unmöglich machte. Durch eine
Simulationsrechnung konnte gezeigt werden, daß die Ursachen für die Verbreiterung der
AIFACM in der Meßmethodik begründet waren und nicht alleine durch die asynchrone Anflutung
des KM verursacht wurden.
In klinischen Meßreihen wurde die absolute Quantifizierung von rCBV mit der SDFLASH-
Sequenz angewendet. Zur Erhebung von Normalwerten wurden Messungen an 71 gesunden
Probanden durchgeführt. In der GHS wurde ein rCBV von 8,4 ± 2,4 ml/100g und in der WHS
ein rCBV von 4,2 ± 1,7 ml/100g bestimmt. Diese Werte sind in Übereinstimmung mit
Literaturdaten, die mit nuklearmedizinischen Verfahren gewonnen wurden. Altersabhängig
ergab sich ein ebenfalls ein Rückgang des rCBV von 6 % (GHS) bzw. 3 % (WHS) pro Dekade.
Die Messungen in 25 histologisch gesicherten Astrozytomen WHO Grad II vor einer Therapie
ergab ein mittleres rCBV von 6,5 ± 3,7 ml/100g. Im Untersuchungszeitraum von 24 Monaten
rezidivierten davon insgesamt 4 Tumore nach primärer Strahlentherapie. Diese zeigten ein prä-
therapeutisch signifikant erhöhtes intratumorales rCBV (p = 0,001) von 11,6 ± 5,7 ml/100g im
Vergleich zu den nicht rezidivierenden Tumoren (5,5 ± 2,3 ml/100g). Die Verlaufsmessung nach
Konformationsstrahlentherapie ergab eine Reduktion des intratumoralen rCBV im Mittel auf
4,6 ± 0,4 ml/100g nach Ablauf von ca. 6 Monaten. Die Korrelation mit dreidimensionalen
Bestrahlungsplänen ermöglichte die Verlaufsuntersuchung des Normalgewebes in den
Dosisbereichen bis 40 % und bis 100 % der Gesamtdosis. In den Hochdosisarealen kam es
schon innerhalb der ersten 6 Monate zu einer rCBV-Reduktion von insgesamt ca. 30 %. In
Niedrigdosisarealen erfolgte der Hauptteil der Reduktion von insgesamt ca. 24 % erst zwischen
dem 6. und 12. Monat nach Therapie. Damit konnte erstmals gezeigt werden, daß durch
DSC MRT-Verlaufsmessungen nach konformierender Strahlentherapie das Monitoring von
Normalgewebsreaktionen und des Tumoransprechens möglich ist.
Die absolute Quantifizierung des rCBF ist komplexer als die des Blutvolumens. In der
vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren zur rCBF Bestimmung weiterentwickelt, das keine
Modellannahmen über das Gefäßbett voraussetzt. Die Grundlage dieses Verfahrens ist die
Entfaltung der Konzentrations-Zeitkurve des Gewebes mit der AIF. Dieses Entfaltungsproblem
war nicht für alle Eingangsdaten lösbar und war insbesondere anfällig auf Rauschen. Ein
Entfaltungsansatz über die Fouriertranformation und ein iterativer Antsatz wurden anhand von
SDFLASH-Sequenzdaten miteinander verglichen. Dabei zeigte sich der iterative Entfaltungs-
algorithmus, insbesondere durch seine Unabhängigkeit von interaktiven Benutzereingaben, als
am vorteilhaftesten. Die Analyse eines gesamten Bilddatensatzes auf seine Entfaltbarkeit ergab,
daß weniger als 15-20 % der Pixeldaten mit der AIF entfaltbar waren. Eine Hauptursache war
die relativ große Breite der AIF in Relation zu der zu entfaltenden Gewebekurve. Mit einer
Simulationsrechnung konnte ein Effekt identifiziert werden, der zur verbreiterten Detektion der
AIF führte und damit eine potentielle Ursache für die Unentfaltbarkeit darstellte. Dieser
Verbreiterungseffekt wurde durch die Größe der Relaxationszeit der Längsmagnetisierung in der
Größenordnung der Bildwiederholzeit hervorgerufen und war somit der Meßmethode inhärent.
In der vorliegenden Arbeit konnte ein Beitrag zur Etablierung der klinische Anwendung der
absoluten Quantifizierung von rCBV mit der DSC MRT erbracht werden. Die rCBF-Messung
scheint prinzipiell möglich, stößt bei der Verwendung der SDFLASH-Sequenz jedoch an
methodische Grenzen. Einen Ausweg können neue Bildgebungssequenzen (z.B. EPI) und neue
MR-KM liefern.
